第16課用TRIZ方法解決發(fā)明問題用TRIZ方法解決發(fā)明問題【案例導入】我國成功躋身創(chuàng)新型國家行列圖16-1中國空間站俯瞰地球目錄16.1科學效應及應用方法16.2裁剪16.3用TRIZ解決發(fā)明問題用TRIZ方法解決發(fā)明問題縱觀人類文明的發(fā)展史，科學技術的每一次重大突破，都會對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。人類現(xiàn)有的工程技術產(chǎn)品和方法都是在漫長的文明發(fā)展過程中，以一定的科學原理為基礎，一點一滴地積累起來的?？梢院敛豢鋸埖卣f，人類社會的發(fā)展歷史就是一部人類發(fā)現(xiàn)并利用蘊含在自然界中的科學原理和知識的歷史。1.科學效應及應用方法科學效應及應用方法所謂效應，是指在有限環(huán)境下，一些因素和一些結果構成的一種因果現(xiàn)象，多用于對一種自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象的描述。效應一詞使用的范圍較廣?？茖W效應及應用方法16.1.1社會效應與科學效應社會效應是指在日常生活中比較常見的現(xiàn)象與規(guī)律，是某一個人或事物的行為或作用，引起其他人物或事情產(chǎn)生相應變化的因果反應或連鎖反應，即對社會產(chǎn)生的效果，反映和影響，例如溫室效應、蝴蝶效應、毛毛蟲效應、音叉效應、木桶效應、完形崩潰效應等?？茖W效應及應用方法由某種動因或原因所產(chǎn)生的一種特定的科學現(xiàn)象，稱為“科學效應”。迄今為止，研究人員已經(jīng)總結了近萬個效應，其中4000多個得到了有效應用。例如，由物理的或化學的作用所產(chǎn)生的效果，如光電效應、熱效應、化學效應等。許多科學效應都以其發(fā)現(xiàn)者的名字來命名。如法拉第效應?？茖W效應和現(xiàn)象是TRIZ中解決創(chuàng)新問題的基于知識的工具之一。例如：有一種彈簧，其尺寸和組成材料都是無法改變的。如何在不添加任何輔助結構（不向它添加任何補充彈簧等）的條件下提高彈簧的剛性？其實，方法很簡單。如果使每圈彈簧磁化，讓同極性挨著，這樣在彈簧壓縮時就會產(chǎn)生附加的推力。這就是一個典型的利用物理效應來解決技術問題的例子。科學效應及應用方法如果從時間軸上對兩個對象之間的作用進行分析，我們也可以將存在于兩個對象之間的這種作用看作是兩個技術過程之間的“紐帶”。例如，壓電打火機的點火過程。圖16-8打火機壓電陶瓷點火器結構科學效應及應用方法壓電打火機是利用壓電陶瓷的壓電效應制成的。只要用大拇指壓一下打火機上的按鈕，將壓力施加到壓電陶瓷上，壓電陶瓷即產(chǎn)生高電壓，形成火花放電，從而點燃可燃氣體。如果將手指壓按鈕的動作看成是一個技術過程，將氣體燃燒看成是另一個技術過程。那么，將這兩個技術過程連接起來的紐帶就是壓電效應。在這個技術系統(tǒng)中，壓電陶瓷的功能就是利用壓電效應將機械能轉換成電能?？茖W效應及應用方法通常，我們可以將效應看作是兩個技術過程之間的功能關系。就是說，如果將一個技術過程A中的變化看作是原因的話，那么，技術過程A的變化所導致的另一個技術過程B中的變化就是結果。將技術過程A和技術過程B連接到一起的這種功能關系被稱為效應。隨著技術過程的實施，技術系統(tǒng)的某些參數(shù)（例如，壓力、溫度、速度、加速度等）會發(fā)生改變，即參數(shù)在數(shù)值上的變化就是技術過程得以實施的具體體現(xiàn)。因此，我們可以用這些參數(shù)來描述技術系統(tǒng)的變化?？茖W效應及應用方法除了某些最簡單的技術系統(tǒng)以外，絕大多數(shù)技術系統(tǒng)往往都包含了多個效應。以實現(xiàn)技術系統(tǒng)的功能為最終目標，將一系列依次發(fā)生的效應組合起來，就構成了效應鏈。圖16-9效應鏈科學效應及應用方法16.1.2在TRIZ中應用科學效應TRIZ理論中，按照“從技術目標到實現(xiàn)方法”的方式來組織效應庫，發(fā)明者可根據(jù)TRIZ的分析工具決定需要實現(xiàn)的“技術目標”，然后選擇需要的“實現(xiàn)方法”，即相應的科學效應。TRIZ的效應庫的組織結構，便于發(fā)明者對效應應用?？茖W效應及應用方法通過對250萬份世界級高水平發(fā)明專利的分析研究，阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)了這樣一個現(xiàn)象：那些不同凡響的發(fā)明專利通常都是利用了某種科學效應，或者是出人意料地將已知的效應（或幾個效應的綜合）應用到以前沒有使用過該效應的技術領域中。阿奇舒勒指出：在工業(yè)和自然科學中的問題和解決方案是重復的、技術進化模式是重復的，只有百分之一的解決方案是真正的發(fā)明，而其余部分只是以一種新的方式來應用以前已存在的知識或概念。因此，對于一個新的技術問題，絕大多數(shù)情況下都能從已經(jīng)存在的原理和方法中找到該問題的解決方案。科學效應及應用方法基于對世界專利庫的大量專利的分析，TRIZ理論總結了大量的物理、化學和幾何效應，每一個效應都可能用來解決某一類問題。為了幫助工程師們利用這些科學原理和效應來解決工程技術問題，在阿奇舒勒的提議下，TRIZ研究者共同開發(fā)了效應數(shù)據(jù)庫，其目的就是為了將那些在工程技術領域中常常用到的功能和特性，與人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的科學原理或效應所能夠提供的功能和特性對應起來，以方便工程師們進行檢索。2.裁剪裁剪按照阿奇舒勒對產(chǎn)品進化定律的描述，產(chǎn)品進化有朝著先復雜化然后簡化的方向進化。產(chǎn)品進化過程中簡化的實現(xiàn)可以通過系統(tǒng)裁剪來實現(xiàn)。因此，系統(tǒng)裁剪是一條重要的進化路線，體現(xiàn)在組成系統(tǒng)的元素數(shù)量減少的同時，系統(tǒng)仍能保證高質(zhì)量的工作。裁剪是TRIZ中能夠以低成本實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要方法之一，其基本原理是通過刪減系統(tǒng)中存在問題的元素實現(xiàn)系統(tǒng)的改進。裁剪例16-1前蘇聯(lián)T-34坦克。二戰(zhàn)期間，前蘇聯(lián)的技術基礎較差，關鍵是工藝不過關，因此多靠簡單而構思合理的設計去補拙，再以數(shù)量壓倒對方。二戰(zhàn)中的T-34坦克的設計就說明了這一原則，它結構非常簡單，但很合理。例如前壁制成坡形，即使得它的受彈角度利于彈開炮彈，又等于在不增加重量的前提下增

加了坦克的裝甲厚度。無論是裝甲、大炮的

口徑和射程，都遠遠超過德國當時的主戰(zhàn)坦

克PanzerIV。裁剪T-34的發(fā)動機是根據(jù)俄國的氣候設計的，因此在嚴寒中也能輕松啟動，不會像德國坦克那樣凍死。履帶較寬，不怕秋雨造成的俄國平原上的無邊泥濘，無論哪方面都遠遠超過了德國坦克。最大的優(yōu)點，還是它設計簡單，不需要復雜的機械傳動裝置，可以在一般的拖拉機廠內(nèi)大規(guī)模粗制濫造出來。前蘇聯(lián)在軍工產(chǎn)品設計上一直秉承這樣一條原則，就是應用簡單的結構實現(xiàn)強大的功能，那么遵循什么方法呢？就是裁剪。前蘇聯(lián)軍械設計師沙普金有句名言：“將一件武器設計得很復雜是非常簡單的事情，設計得很簡單卻是極其復雜的事情?！彼O計的沖鋒槍（PPSh41）正是貫徹了這個理念。裁剪16.2.1裁剪原理和過程由功能分析得到的存在于已有產(chǎn)品中的小問題可以通過裁剪來解決。通過裁剪，將問題功能所對應的元件刪除，改善整個功能模型。元件被裁剪之后，該元件所需提供的功能可根據(jù)具體情況選擇以下處理方式：（1）由系統(tǒng)中其他元件或超系統(tǒng)實現(xiàn)；（2）由受作用元件自己來實現(xiàn)；（3）刪除原來元件實現(xiàn)的功能；（4）刪除原來元件實現(xiàn)功能的作用物。裁剪例如，圖16-12左圖是已有牙刷的功能模型。將牙刷柄裁剪掉后，得到圖16-12右圖裁剪后的功能模型。原來元件“牙刷柄”的功能由系統(tǒng)中其他元件——“手”來實現(xiàn)，簡化了系統(tǒng)。圖16-12牙刷的功能模型裁剪從進化的角度分析，功能裁剪一般發(fā)生在由原產(chǎn)品功能模型導出的最終理想解模型不能轉化為實際產(chǎn)品的時候。將問題分別對應技術系統(tǒng)的不同的進化模式，從而定義產(chǎn)品功能的理想化程度，應用裁剪與預測技術尋找中間方案。功能裁剪一般作為產(chǎn)品功能分析的重要步驟，其目的為研究每個功能是否必需，如果必需，系統(tǒng)中的其他元件是否可完成功能。設計中的重要突破，成本或復雜程度的顯著降低往往是功能分析與裁剪的結果。一種產(chǎn)品功能模型經(jīng)過裁剪可能產(chǎn)生多種裁剪模型，因而會產(chǎn)生多種方案指導設計人員進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設計。裁剪16.2.2裁剪對象選擇通過功能分析建立產(chǎn)品功能模型以后，對模型中元件進行逐一分析，確定裁剪對象和順序。多種方法可以幫助確定元件的刪除順序。從裁剪工具的角度來說，因果鏈分析、有害功能分析、成本分析為最重要的方法，因為這三種方法可以快速確定裁剪對象，其他方法可以作為輔助方法幫助確定裁剪順序。其中優(yōu)先刪除的元件具有以下特性：裁剪（1）關鍵有害因素：由因果鏈分析可以得知有害因素，可直接刪除系統(tǒng)最底層的根本有害因素，進而刪除其他相關較高階層的有害因素。因果鏈分析的主要作用是找出工程系統(tǒng)中最關鍵的有害因素。其方法為從目標因素回推找到產(chǎn)生問題的有害因素，直至找到最根本的原因。一般來說，因果鏈分析一般能找到大量的有害因素，但大部分有害因素都源于幾個少數(shù)的根本有害因素。根本有害因素排除后，其后面的有害因素也就自然而然地被排除。裁剪（2）最低功能價值：經(jīng)由功能價值分析，可刪除功能價值最低的元件；元件的功能價值可以由元件價值分析進行評估。通常，評估功能元件價值的參數(shù)有三個：功能等級、問題嚴重性和成本。若針對產(chǎn)品設計初期的概念設計，在功能價值評估過程中可以不考慮成本的問題。（3）最有害功能：對元件進行有害功能分析，刪除系統(tǒng)中有害功能最多的那個元件，增加系統(tǒng)的運作效率。有害功能分析是將元件的有害功能數(shù)量的多少以及有害作用的加權數(shù)值來進行的，其中加權者為產(chǎn)品設計人員。裁剪（4）最昂貴的元件：利用成本分析可刪除成本最昂貴且功能價值不大的元件，這樣可以大幅降低系統(tǒng)的制造成本。成本分析是將系統(tǒng)元件的成本做一個比較，成本越高的刪除的優(yōu)先級別就越高。裁剪16.2.3基于裁剪的創(chuàng)新設計過程裁剪是一種改進系統(tǒng)的方法，該方法研究每一個功能是否必需，如果必需則研究系統(tǒng)中的其他元件是否可完成該功能，反之則去除不必要的功能及其元件。經(jīng)過裁剪后的系統(tǒng)更為簡化，成本更低，而同時性能保持不變或更好，剪裁使產(chǎn)品或工藝更趨向于最終理想解（IFR）。裁剪應用裁剪主要針對已有產(chǎn)品，通過進行功能分析，刪除問題

功能元件，以完善功能模型。裁剪的結果會得到更加理想

的功能模型，也可能產(chǎn)生一些新的問題。對于產(chǎn)生的新問

題，可以采用TRIZ其他工具來解決。圖16-13為基于裁剪

的產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程模型，主要包括以下幾步：圖16-13基于裁剪的產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程模型裁剪步驟1：選擇已有產(chǎn)品。步驟2：對選定的產(chǎn)品進行功能分析，建立功能模型，確定其有害作用、不足作用及過剩作用等小問題。步驟3：運用裁剪規(guī)則進行分析，確定裁剪順序。進而進行裁剪，刪除該功能元件。步驟4：判斷裁剪后會產(chǎn)生什么問題。若沒有問題，則接步驟6，否則接下一步。步驟5：分析裁剪后產(chǎn)生的問題，應用TRIZ其他工具（發(fā)明原理，效應，標準解等）解決問題，形成創(chuàng)新概念。步驟6：判斷新設計是否滿足要求。若滿足要求，則結束流程，否則接步驟2，進行功能分析，并發(fā)現(xiàn)問題。3.用TRIZ解決發(fā)明問題用TRIZ解決發(fā)明問題按照TRIZ對發(fā)明問題的五級分類，一般較為簡單的一到三級發(fā)明問題運用發(fā)明原理或者發(fā)明問題標準解法就可以解決。在利用TRIZ理論解決發(fā)明問題時，其一般過程可以分為以下幾個步驟：步驟1：對給定問題的性質(zhì)進行分析，如果發(fā)現(xiàn)問題存在沖突，則應用“發(fā)明原理”去解決；如果問題明確，但不知道該如何處理，則應用“效應”去解決；如果是對系統(tǒng)的進化過程進行分析，就應用“預測”去解決。用TRIZ解決發(fā)明問題步驟2：在解決具體問題時，針對問題確定一個技術矛盾后，要用該技術領域的一般術語來描述該技術矛盾，通過這些一般術語來選擇通用技術參數(shù)，再由通用技術參數(shù)在矛盾矩陣中選擇可用的發(fā)明原理。步驟3：當某個發(fā)明原理被選定后，必須要根據(jù)特定的問題將發(fā)明原理轉化為一個特定的解。在對問題的處理結果進行評價后，如果發(fā)現(xiàn)新問題，則要求對問題繼續(xù)分析，直到不出現(xiàn)新問題。步驟4：找出解決問題的最終方案。用TRIZ解決發(fā)明問題下面我們通過兩個實例來綜合闡述TRIZ理論是如何幫助工程設計人員及管理人員迅速發(fā)現(xiàn)主要問題并提供解決問題的相應原理，從而證明TRIZ理論在創(chuàng)新設計中的重要作用。用TRIZ解決發(fā)明問題16.3.1航空發(fā)動機的技術進化隨著發(fā)動機性能的不斷提高（推重力增加、耗油率下降），發(fā)動機的結構也越來越復雜。由此而帶來了系統(tǒng)總重量增加、維修困難等一系列問題。圖16-14是20世紀30年代由噴氣發(fā)動機的發(fā)明人之一弗蘭克·惠特設計的世界上第一臺燃氣渦輪發(fā)動機，其轉子部分由單轉子、單級整

體壓氣機和60個葉片的單級渦輪組成。圖16-14第一臺燃氣渦輪發(fā)動機用TRIZ解決發(fā)明問題20世紀70年代，英國的RB199三轉子渦扇發(fā)動機（加力式渦扇發(fā)動機）用于狂風戰(zhàn)斗機，由3級風扇、3級中壓壓氣機、6級高壓壓氣機、燃燒室、1級高壓渦輪、1級中壓渦輪和2級低壓渦輪組成。整臺發(fā)動機有三個轉子，共有上千個葉片（其中渦輪葉片超過300個）、上萬個零件。圖16-15英國RB199三轉子渦扇發(fā)動機用TRIZ解決發(fā)明問題到了20世紀90年代，發(fā)動機的性能進一步提高，但發(fā)動機的結構卻越來越簡單。圖16-15和圖16-16分別為用于歐洲戰(zhàn)斗機的EJ200發(fā)動機和用于空客A318的PW6000發(fā)動機。與20世紀70年代的發(fā)動機相比，新一代發(fā)動機的零件數(shù)目減少三分之一；軍用發(fā)動機的推重比正在向15邁進（而最早噴氣發(fā)動機的推重比只有2）；耗油率比70年代下降了20%，比最初的噴氣發(fā)動機下降了60%；新一代發(fā)動機的壽命、平均故障時間、平均大修時間大幅度提高，而生命期成本和噪聲水平等持續(xù)下降。用TRIZ解決發(fā)明問題圖16-15EJ200發(fā)動機圖16-16PW6000發(fā)動機用TRIZ解決發(fā)明問題圖16-17顯示了從20世紀30年代至今，航空燃氣渦輪發(fā)動機主要性能指標的螺旋上升的進化趨勢?？梢钥闯?，發(fā)動機的結構復雜程度與其系統(tǒng)進化趨勢密切相關。圖16-17航空燃氣渦輪發(fā)動機主要性能指標的發(fā)展變化用TRIZ解決發(fā)明問題如何綜合運用技術系統(tǒng)進化法則，判斷目前技術狀態(tài)下航空發(fā)動機的進化潛能，為預研投入提供決策支持，以簡化的結構完成更多的功能，是航空發(fā)動機在今后一段時期內(nèi)的發(fā)展方向。由此也可以看出，TRIZ理論的技術系統(tǒng)進化法則對復雜系統(tǒng)研發(fā)的指導意義：（1）分析技術發(fā)展的可能方向；（2）指出需要改進的子系統(tǒng)和改進方法；（3）避免對成熟期和退出期（衰退期）的產(chǎn)品或技術大量投入；（4）對新技術和成長期產(chǎn)品進行專利保護；（5）用戶和市場調(diào)研人員在進化法則的指導下參與研發(fā)，加速產(chǎn)品進化。用TRIZ解決發(fā)明問題16.3.2寶馬汽車的外形設計在歐洲那些最初為行人和馬車修建的城市道路上，由于汽車保有量的增加，交通變得十分擁擠，雖然政府采用了提高燃料費用的方法，但交通擁擠的狀況并沒有得到明顯改善。為改變這種狀況，市政府通過增加稅收以進一步提高大型汽車在城市里的使用費用，目的在于鼓勵小型汽車的生產(chǎn)。然而由于市場上沒有非常有特色的小型汽車，在某種意義上小型汽車還不能成為有錢人身份、地位的象征。用TRIZ解決發(fā)明問題因此，以生產(chǎn)大型豪華私人轎車為主的德國寶馬（BMW）和奔馳公司，準備聯(lián)合開發(fā)出一種名牌智能化的迷你型汽車，不僅在城市中使用非常方便，可以增加道路的使用空間，減輕空氣污染，緩解交通擁擠，容易停車，而且價格更為經(jīng)濟、性能更為有效。用TRIZ解決發(fā)明問題1.問題描述汽車的車身較長，在碰撞過程中會有一個較大的變形空間，可以吸收碰撞過程中的能量，緩解交通事故對人的沖擊力，減輕對乘車者的人身傷害。但此種汽車重量與體積較大，轉彎半徑大，機動性差，非常笨拙，在一定程度上造成交通擁擠。而迷你型汽車體積小、重量輕，轉彎半徑小，機動靈活性好，可以減輕交通擁堵問題，但因為車身較短，不具備變形緩沖功能，因此在碰撞事故發(fā)生時容易造成人員的傷亡。用TRIZ解決發(fā)明問題2.問題分析根據(jù)以上對問題的描述，發(fā)現(xiàn)汽車在制造過程中，如果縮短車身長度，則汽車的安全性降低，碰撞事故發(fā)生時容易造成人員的傷亡，而增加車身長度，在一定程度上造成交通擁擠。分析得出在汽車制造過程中存在著一組物理矛盾：交通擁堵與防撞性能的沖突。既要減輕交通擁堵、提高其機動靈活性又要避免因縮短車身造成的在交通事故中防撞性能降低的矛盾。用TRIZ解決發(fā)明問題3.問題解決（1）將一般領域問題描述轉換成39項工程參數(shù)中的2項，即轉換為TRIZ標準問題?！凹纫獪p輕交通擁堵、提高其機動靈活性又要避免因縮短車身造成的在交通事故中防撞性能降低”，從待解決問題的文字敘述中，試著找出問題是由哪些相互矛盾沖突的屬性所引起，將文字敘述轉換成39項工程參數(shù)中的2項。用TRIZ解決發(fā)明問題工程參數(shù)5號運動物體的面積參數(shù)：運動物體的面積指運動物體被線條封閉的一部分或者表面的幾何度量，或者運動物體內(nèi)部或者外部表面的幾何度量。面積是以填充平面圖形的正方形個數(shù)來度量的，如面積不僅可以是平面輪廓的面積，也可以是三維表面的面積，或一個三維物體所有平面、凸面或凹面的面積之和，此例中為物體的長度，屬于改善的參數(shù)。工程參數(shù)22號能量損失：能量損失指做無用功消耗的能量。為了減少能量損失，有時需要應用不同的技術手段，來提高能量利用率。用TRIZ解決發(fā)明問題（2）根據(jù)得到的工程參數(shù)，確定解決問題需要的發(fā)明原理。根據(jù)上述兩個工程參數(shù)，查閱矛盾矩陣，可以得到對該問題的解決有指導意義的兩條發(fā)明原理：15號動態(tài)特性原理：①使一個物體或其環(huán)境在操作的每一個階段自動調(diào)整，以達到優(yōu)化的性能。②劃分一個物體成具有相互關系的元件，元件之間可以改變相對位置。③如果一個物體是靜止的，使之變?yōu)檫\動的或可改變的。用TRIZ解決